STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

20°С. Он должен быть в пределах 0,6—0,9; величина набухания в воде не более 0,5% (по объему).

382

10.3.2.РАЗНОВИДНОСТИ АСФАЛЬТОВЫХ БЕТОНОВ

Кразновидностям асфальтобетона относятся теплый и холодный. Специфическими особенностями обладают еще две других разновидности горячего асфальтобетона — литой и цветной. Более редким в строительстве является дегтебетон.

Теплый асфальтобетон используют при строительстве дорожных покрытий капитального типа и для устройства нижних слоев в покрытиях.

Для приготовления теплого асфальтобетона используют вязкие нефтебитумы марок БНД 200/300 и БНД 130/200 или жидкие битумы; известняковый порошок более тонкого помола, чем в горячих смесях; щебень и искусственный песок, получаемые дроблением основных пород, — габбровых или диабазовых; прочные шлаки. Составы теплого асфальтобетона проектируют общим методом, используемым в теории искусственных строительных конгломератов. Температура готовой теплой массы при ее выходе из смесителя должна быть 90—130°С в зависимости от исходной вязкости битума. Допустимые пределы температур массы при ее уплотнении в покрытии: нижний — 50°С при работах в теплую погоду и при марке битума СГ 70/130; верхний — 100°С при работах в холодную погоду и при марке битума СГ 130/200. Уплотнение производят легкими и тяжелыми (12т) катками; при холодной погоде рекомендуется уплотнять массу сразу же после ее укладки в покрытие, чтобы не остудить массу и не потерять ее удобообрабатываемость. Толщину рыхлого слоя назначают на 15—20% больше проектной толщины покрытия, что регулируется положением выглаживающей плиты укладчика.

Холодный асфальтобетон (холодный асфальт) содержит жидкий или разжиженный вязкий битум, что позволяет укладывать массу холодного асфальта при температуре окружающего воздуха. Могут использоваться также битумные эмульсии.

Приготовление холодного асфальта осуществляется в горячем и холодном состояниях. При приготовлении массы в горячем состоянии применяют жидкий или разжиженный битум, в холодном — битумную эмульсию. Более распространен в строительстве холодный асфальт на основе жидкого или разжиженного битума. Его применяют для создания верхних слоев дорожных покрытий и при производстве ремонтных работ, в частности, при восстановлении сильно износившихся покрытий. Если холодный асфальт употребляется в строительных работах непосредственно после его изготовления на АБЗ, то укладку массы предпочтительнее производить еще в теплом состоянии. В этом случае раскладка упрощается, слой массы ложится компактнее, а при уплотнении слоя быстрее формируется монолитное покрытие. При работах во влажную погоду используют хо- лодный асфальт, приготовленный на битумной эмульсии.

Отвердевание монолитного слоя связано не в малой степени с испарением растворителя из разжиженного вязкого битума или легких фракций — из жидкого. Поэтому слишком значительная его уплотненность в первый период эксплуатации дорожного покрытия может принести вред. Рекомендуется не допускать высокой грузонапряженности при движении автотранспорта, так же как нельзя допускать и слишком слабой интенсивности движения транспорта, поскольку окончательное формирование покрытия происходит именно под действием этого движения.

Холодный асфальт может длительное время оставаться в рыхлом состоянии в складских условиях (до 8—10 месяцев). Поэтому холодную асфальтобетонную массу обычно приготовляют в зимнее время года с тем, чтобы ее раскладку в покрытие произвести с на- ступлением весны. Зимняя заготовка массы позволяет работать АБЗ практически в течение полного года, тогда как при производстве только одной горячей массы оборудование завода в зимний период простаивает или работает с низкой производительностью. При чрезмерно длительном хранении рыхлая масса холодного асфальта постепенно слеживается, образуются комочки или даже глыбы. Тогда использовать массу становится затруднительным, требуется предварительное рыхление

383

ее. Однако механическое рыхление ухудшает качество массы вследствие обнажения отдельных частиц, покрытых пленкой битума. Слеживаемость холодного асфальта при длительном хранении уменьшают, добавляя на последней стадии перемешивания массы ССБ, хлорное железо, водный раствор соапсто-ка и некоторые другие специальные вещества (добавки) в количестве до 2—3%. Эти же вещества способствуют лучшему сцеплению битума с поверхностью не полностью просушенного минерального материала. Холодный асфальт приготовляют с применением щебня из морозостойких карбонатных пород (известняков, доломитов) и доменных шлаков с пределом прочности при сжатии не менее 80 МПа, а при использовании изверженных и метаморфических пород — не менее 100 МПа. Чтобы покрытие не становилось скользким при его эксплуатации, к известняковому щебню принято добавлять до 30% мелкого (8—10 мм) гранитного или получаемого из других изверженных пород (диабаза, базальта) щебня или искусственного дробленого песка из тех же пород камня. Песок должен быть чистым, однородным, морозостойким, без органических примесей или глинистых частиц, способных набухать в воде. Кроме щебня и песка в состав холодного асфальта входит минеральный (известняковый) порошок для повышения вязкости и клеящей способности разжиженного или жидкого битума. При тонких пленках битума слеживаемость массы меньше и прочность плотного покрытия выше. При выборе вяжущего учитывают, что чем холоднее погодные условия, длительнее срок хранения массы, ниже прочность камня, тем вяжущее вещество должно быть более жидким. Наиболее распространенными вязкостями являются 120—180 с, определяемые по стандартному вискозиметру (при отверстии 5 мм и температуре 60°С). Такая вязкость соответствует маркам СГ 130/200, СГ 70/130 и МГ 130/200, МГ 70/130. При использовании битумной эмульсии рекомендуется средняя скорость ее распада при содержании в ней вяжущего вещества в пределах 50—60% по массе. В загородных условиях допускается применять дегтевые эмульсии.

Доля вяжущего вещества в составе холодного асфальта устанавливается проектированием оптимального состава, но обычно находится в пределах 6—8% для песчаного и 5—7% для мелкозернистого. Качество холодного асфальта в покрытиях характеризуется его прочностью при сжатии в сухом и водонасыщенном состояниях при 20°С соответственно 1,5—2,0 и 1,0—1,5 МПа, коэффициентом водоустойчивости не менее 0,6—0,8 и некоторыми другими показателями свойств, указываемыми в ТУ. В целом следует отметить, что эта разновидность асфальтового бетона изготовляется и применяется пока в весьма ограниченных размерах, но покрытия из него несомненно относятся к перспективным.

Литой асфальтовый бетон (литой асфальт) выделяется из других горячих аналогов тем, что все межзерновые поры в нем заполнены асфальтовым вяжущим веществом. При этом отношение Б/П несколько больше, чем в вяжущем веществе обычного (пластичного) ас- фальтобетона. После укладки массы и ее уплотнения в монолите практически отсутствуют остаточные поры и пустоты, поэтому покрытия из него водонепроницаемые.

Преимущество литого асфальта состоит в том, что работы по его укладке можно производить при сравнительно низких температурах (до -10°С) воздуха. Не требуется также, как уже отмечалось, продолжительного уплотнения массы катками или трамбования при ямочном ремонте. Достаточно прикатать его легкими (0,5—1,5 т) катками или уплотнить вибробрусом асфальтоукладчика. Преимуществом покрытий из литого асфальта является также их относительно высокая долговечность, износостойкость и шероховатость. Последняя придается покрытию либо распределением по поверхности сухого песка высевок или первых фракций мелкого щебня (5—8 мм), лучше предварительно очерненных битумом (1—1,2%), и последующей их прикаткой, либо устройством тонкослойного покрытия толщиной 0,8—1,5 см из специально подготовленной смеси. В некоторых странах шероховатость достигают применением кат- ков с рифлеными вальцами. Литой асфальтобетон не лишен, однако, и некоторых недостатков: податливостью к сдвиговым деформациям в жаркое летнее время и

384

склонностью к трещинообразованию от неравномерных тепловых напряжений в период отрицательных температур воздуха. В последние годы эти традиционные недостатки были резко ослаблены за счет привлечения к проектированию оптимальных составов общей методики их расчета, излагаемой в теории ИСК, и устройства покрытий способом вибролитья1. В получаемых составах литого асфальта содержится минеральных частиц крупнее 5 мм 50—55%, асфальтовяжущего вещества (Б+П) 20—25% с отношением Б/П, равным 0,46—0,55, причем порошок содержит 100% частиц мельче 0,071 мм. Слой уложенной массы не требует дополнительного уплотнения после вибрационного приглаживания его брусом асфальтоукладчика. С понижением температуры покрытия с 200°С до атмосферной литой асфальт в покрытии отвердевает и пригоден к эксплуатации. Достоинства покрытий из вибролитых смесей отмечены при их укладке на дорогах высоких категорий, мостах, путепроводах, эстакадах и взлетно-посадочных полосах аэродромов. Строительный сезон по их устройству может быть расширен за счет использования универсальных термосов-миксеров грузоподъемностью от 8,5 до 16т.

По технологии вибролитья используют подогретые зернистые минеральные материалы температурой 280—300°С, если порошок поступает холодным; температуру нагрева их снижают на 12—14%, если порошок в мешалку подается подогретым до температуры 120—140°С. Битум подогревают до температуры 150—170°С. Температура смеси должна быть 190—200°С, если температура воздуха выше -10°С; не ниже 220°С, если температура воздуха +10—15°С. Технические свойства смеси и асфальтобетона: пористость минеральной смеси не более 20%, подвижность смеси при 200°С — не менее 25 мм (определяют с помощью металлического конуса); водонасы-щение уплотненных образцов — 1,0% от объема; глубина вдавливания штампа в образцы при температуре 40°С — не более 4 мм.

Цветной асфальтовый бетон состоит из мелкого щебня (5—7 мм), песка, минерального порошка, связующего, пластификатора и пигмента. В качестве вяжущего вещества в нем выступает структурный элемент, слагаемый из связующего и минерального порошка с добавлениями пластификатора и пигмента, поскольку все их частицы практически соизмеримы. В качестве щебня применяют измельченные отходы белого мрамора и известняка. Песок должен быть чистым и светлым, а минеральный порошок — из тонко измельченного белого мрамора. Связующим в цветном асфальте обычно служат кумароно-вые, глифталевые полимеры, а также полиэтилен, поливинилхлорид, поливинил ацетатная эмульсия и др. Из пигментов более цветостойкими являются железный сурик, крон желтый, оксид хрома.

Цветной асфальтобетон применяют для оформления площадей, скверов, остановок городского транспорта, пешеходных переходов и других объектов города.

1 Мелик-Багдасаров М.С. и др. Устройство асфальтобетонных покрытий методом вибролитья // Наука и техника в строительстве. 1997. 3.

385

10.3.3. ДЕГТЕБЕТОНЫ

Дегтебетон — искусственный строительный конгломерат, аналогичный асфальтобетону, в котором в качестве органического связующего вещества применяют каменноугольный деготь. Оптимальный состав проектируют общим методом. Чтобы улучшить эластические свойства и снизить температурную чувствительность, в дегти вводят порошкообразные наполнители и определяют физико-механические свойства (в первую очередь прочность) наполненного дегтя при оптимальной структуре. Можно вводить в деготь олигомер или полимер, а также ту или иную комплексную добавку, например полимер и активный дисперсный наполнитель с получением наполненного дегтеполимерного вяжущего вещества. С этой целью используют дегти марок от Д-2 до Д-5, а в качестве полимерного вещества — полистирол, поливинилхлорид. Наполнителями служат молотые каменные угли — длиннопламенные, коксовые, антрацитовые и другие лиофильные порошки, например древесный гидролизный лигнин, фталевый ангидрид. Чаще применяют напол- нители — минеральный порошок известняковый, доломитовый и др., а в качестве связующего вещества — чистый и притом обычно составленный деготь, получаемый сплавлением пека и антраценового масла. Соотношение их масс в дегте определяют главным образом по условному показателю вязкости, соответствующего маркам Д-5 — Д- 8. Заполнителем в дегтебетоне служат минеральные материалы — щебень и песок, которые используют в асфальтобетоне, но можно применять щебень из более кислых пород — кварцевых песчаников, гранита с повышенным содержанием кварца и др.

В процессе приготовления дегтебетонной смеси придерживаются строгого температурного режима: деготь марки Д-5 нагревают до температуры 80—100°С и не выше, дегти марок Д-6, Д-7 и Д-8 — до 100—130°С, минеральные материалы — до ПО— 130°С. Вследствие повышенной температурочувствительности смеси при выпуске ее из смесителя следует поддерживать температуру на уровне 100—120°С. Технические требования к свойствам горячего дегтебетона: предел прочности при сжатии при 50°С — не менее 0,8 МПа, при 20°С — не менее 2 МПа, то же в водо-насыщенном состоянии — не менее 1,5 МПа, коэффициент водостойкости — не менее 0,7, коэффициент теплостойкости — не более 4. При этом диаметр и высота образца равны 5 см; давление при уплотнении образцов — 30 МПа.

Кроме горячего в строительстве применяют и холодный дегтебетон. Требования к нему несколько понижены: прочность при 20°С — не менее 1,2 МПа, а в водонасыщенном состоянии,— не менее 0,8 МПа, коэффициент водостойкости — не менее 0,4. Холодный дегтебетон выпускают двух марок и используют либо без подогрева, либо после прогрева при температуре 90°С.

Горячий дегтебетон применяют для верхнего слоя покрытия дорог III категории и нижнего слоя дорог III и IV категорий, а также для ямочного ремонта дорог. Устройство таких покрытий разрешается только вне населенных пунктов, так как из дегтя могут вымываться вредные компоненты (фенолы).

Кроме крупно-, средне- и мелкозернистого дегтебетона выпускают дегтевый раствор, применяя в нем в качестве заполнителя только песчаную фракцию (песок) с размером частиц от 5 до 0,074 мм в количестве до 25% по массе; она засчитывается как микронаполнитель.

Для аналогичных бетонов и растворов вместо каменноугольного дегтя иногда используют сланцевый деготь (битум) и торфяной. Лучшим качеством обладает сланцевый, по физико-химическим свойствам близкий к нефтебитумам. Обычно обе эти разновидности относятся к местным материалам.

386

10.4. ДЕСТРУКЦИЯ АСФАЛЬТОБЕТОНА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОКРЫТИЙ

Ярким проявлением деструктивных процессов, протекающих в асфальтобетоне, особенно в поверхностных слоях покрытий, являются постепенное выкрашивание и шелушение с вырыванием отдельных минеральных частиц, что указывает на понижение адгезии между минеральным и органическим компонентами.

Асфальтобетон, как уже отмечалось, чувствителен к колебаниям температуры внешней среды, что служит источником непрекращающихся структурных изменений. Последние связаны то с повышением концентрации твердой фазы (при снижении температуры) за счет спонтанного выделения из гетерогенной системы новых центров структурообразования, их размножения и обрастания, то с понижением концентрации твердой фазы (при повышении температуры) за счет усиления теплового молекулярного движения с разрушением структурной мицеллярной сетки в вяжущем веществе. Под влиянием этих явлений практически непрерывно изменяется пластичность ас- фальтобетона и его вяжущей части. В сочетании с напряженным состоянием от механических усилий это приводит к нарушению структуры, к потере деформационной устойчивости. Тепловые флуктуации молекул в сочетании с циклически чередующимися механическими напряжениями нередко сами служат непосредственной причиной разрушения материала.

В асфальтовом бетоне могут возникать остаточные деформации, развиваемые до значительных размеров в дорожных и аэродромных покрытиях, с появлением наплывов, сдвигов, волн, складок, смещений, например в кровельных и гидроизоляционных коврах. Этим деформациям необратимого характера способствует повышение температуры, поэтому для повышения теплоустойчивости важно обеспечить оптимальный состав и оптимальную структуру асфальтового бетона применительно к данным, конкретным условиям.

При отрицательных температурах, особенно при резких колебаниях температуры, возникают тепловые напряжения и возможны хрупкие микро- и макроразрывы, нарушение сплошности асфальтобетонных покрытий.

Асфальтобетон чувствителен не только к тепловому фактору, но и к водной среде. Разрушение структуры под влиянием водного фактора происходит в результате нарушения сцепления битумных пленок с минеральными частицами, причем тем быстрее, чем интенсивнее протекает диффузия и больше воды продиффундировало в монолитный материал. Этот процесс можно затормозить, например, уплотнением, очисткой покрытия от пылевых наносов и др., однако нельзя его полностью приостановить, особенно при длительном контакте покрытий, например дорожных, с водой в осенний и весенний периоды в средней климатической полосе страны. Проникновение воды начинается с гидрофилизации поверхности за счет «застревания» в ней молекул воды, поверхностной сорбции, чему способствует тепловое движение (энтропийный фактор). Диффузии воды способствуют также уменьшенное количество асфальтенов в битуме, увеличенное содержание асфальтеновых кислот, водорастворимых соединений типа фенолов (например, в дегтях), повышенная гидрофильность минеральных наполнителей. Вода как сильно полярная жидкость способна вначале оттеснять с поверхности минералов менее полярные молекулы, раннее адсорбировавшиеся из битума, а затем сильно обводнять систему, создавая эффект набухания. В соответствии с электрохимической теорией набухания интенсивная аккумуляция воды на поверхности минеральных частиц растет с повышением плотности заряда и, следовательно, с уменьшением диаметра этих частиц. Набухание обусловлено прониканием молекул воды или иной среды в объем тела как диффузионным путем, так и по механизму капиллярного потока, поскольку в структуре тела практически всегда имеются микропоры, субмикротрещи-ны различных размеров и форм.

387

Наиболее уязвимой структурной частью асфальтового бетона является асфальтовое вяжущее вещество, а от его стойкости к водной среде и колебаниям температуры зависят согласно закону конгруэнции качественные показатели асфальтового бетона, его прочность, теплостойкость, долговечность и т. д. При тепловых перепадах через 0°С происходит разуплотнение асфальтобетона вследствие циклического замерзания воды в порах покрытия. Разуплотнение связано с увеличением пористости и с возрастанием притока воздуха внутрь покрытия, что сопряжено с активизацией процесса окисления органического вяжущего вещества. И хотя вода сама по себе является слабым окислителем битума или дегтя, она благоприятствует интенсивному их окислению вследствие повышения пористости и доступа воздуха в монолит. Воздействие воздуха основано на окислении и полимеризации углеводородов, в частности, непредельного ряда, с изменением группового химического состава и свойств битума или дегтя.

Окислительный процесс ускоряется под комплексным воздействием воздуха, теплоты, солнечного света, особенно его ультрафиолетовых лучей. При ветровом воздействии происходит быстрое вымораживание воды, что в конечном счете приводит к росту хрупкости и количества микропор и трещин в асфальтобетонных покрытиях. С увеличением в битуме кислородсодержащих, азотистых и сернистых соединений стабильность битума уменьшается. К этому же нежелательному эффекту приводит увеличение пористости асфальтобетона после деструкции под влиянием диффузии воды.

Из числа спонтанно развивающихся явлений старения битума, кроме упомянутых окисления и полимеризации, следует еще выделить синерезис и эмульгирование. Синерезис — самоуплотнение вследствие молекулярного сцепления, а также под влиянием сил тяжести или внешних сил. Из битума постепенно выделяется жидкостная среда (масла и смолы), которая в дальнейшем либо сорбируется минеральными компонен- тами, либо под внешним давлением выдавливается наружу, выступая в виде «жирных» пятен. В первом случае возрастает концентрация асфальтенов в битуме и асфальтовом вяжущем веществе с упрочнением структуры и повышением жесткости материала. Во втором случае расслабляются структурные связи при высоких температурах и появляются пластические деформации в верхних слоях покрытий.

Эмульгирование битума может быть вызвано присутствием в окружающей среде или в компонентах смеси, например в песке, эмульгирующих веществ — глинистых примесей, извести, поверхностно-активных веществ и др. Вынужденный частичный перевод битума в эмульгированное состояние приводит к снижению адгезионных свойств, некоторой потере связности в монолите. Если изменения в структуре под влиянием температурных факторов нередко являются временными и носят обратимый характер, то синерезис и эмульсификация могут завершиться необратимыми явлениями ухудшения качества асфальтобетона.

К старению битума и дегтя может приводить также длительный контакт с некоторыми материалами, содержащими полуторные оксиды железа и алюминия.

Независимо от причин старения битума и асфальтобетона всегда происходит количественное и качественное изменение их состава. Интенсивность изменения группового динамического состава битума нередко служит достаточной характеристикой старения материала. Более точно старение битума можно определять по кинетике роста вязкости во времени. По формуле η=Аeφτ, где φ — фактор старения; τ — продолжительность старения; А — постоянная, можно найти величину τ долговечности до критического значения ηкр. Для этих целей в лабораторных условиях моделируют эксплуатационные условия. Вместо вязкости пользуются также некоторыми другими характеристиками качества, чувствительными к старению битума, например величиной сдвигоустойчивости.

Для торможения деструкции асфальтового бетона на стадии технологии и в эксплуатационный период применяют различные меры. Важно обеспечивать высокую плотность структуры и поддерживать ее на этом уровне, вносить компоненты,

388

повышающие деформативность монолита (не выходя за допустимые пределы); увеличивать гидрофобность асфальтобетона; снижать время релаксации напряжений (в допустимых пределах); своевременно восстанавливать поверхностные слои и надежнее изолировать их от внешней агрессивной среды; использовать только оптимальные составы и оптимальную структуру асфальтового бетона; вносить в составы стабилизаторы структуры, энергетически связывающие проникшую воду, и т. п.

389

Глава 11

Строительные конгломераты на основе органических полимеров и пластмассы

11.1. ПРИРОДНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества структурных звеньев, взаимодействующих друг с другом посредством ковалентных связей с образованием макромолекул. Макромолекулы во много тысяч раз превышают размеры обычных молекул. Так, например, если молекула воды состоит из трех атомов, а ее молекулярная масса равна 18 единицам, или если молекула кальцита СаСОз состоит из пяти атомов, а молекулярная масса этого минерала равна 100, то молекулы высокомолекулярных веществ содержат десятки и сотни тысяч атомов, а их молекулярная масса достигает значений, выражаемых десятками и сотнями тысяч единиц. Так, у природного полимера_

целлюлозы она равна 300 000 и более, у искусственных органических полимеров, например у полиэтилена низкого давления, колеблется в пределах от 26 000 до 150 000, у полиизобутилена, поливини-лацетата, политетрафторэтилена и других — до 500 000—550 000 и более, превышая иногда один миллион единиц.

Полимеры разделяют на органические и неорганические. Главная особенность органических полимеров, отличающая их от неорганических, заключается в наличии в макромолекулах атомов углерода. В неорганических высокомолекулярных соединениях (полимерах) атомов углерода не содержится. Органические и неорганические полимеры подразделяют на природные и искусственные. В данной главе рассматриваются полимеры органические и преимущественно искусственные; что касается органических природных полимеров, то они используются в строительстве значительно реже. Среди них заслуживает внимания древесина. Образующие ее целлюлоза и лигнин являются типичными примерами природных полимеров.

В результате воздействия на целлюлозу хлорэтилом в присутствии едкой щелочи или другими реагентами получают этилцеллюло-зу, метилцеллюлозу и бензилцеллюлозу. Эти простые эфиры целлюлозы не отличаются высокими техническими свойствами, но используются для изготовления лаков, клеящих веществ, антикоррозионных покрытий и оболочек. В строительстве чаще применяют сложные эфиры целлюлозы — нитроцеллюлозу и ацетилцеллюлозу. Из нитроцеллюлозы изготовляют целлулоид как простейший вид пластика, но, к сожалению, весьма горючего и поэтому в строительстве не используемого. Второй сложный эфир-ацетилцеллюлозу применяют при изготовлении органического стекла, но в большей мере — при изготовлении лаков по дереву и металлу, так как они образуют водонепроницаемые и достаточно прочные покрытия.

Из других природных органических веществ следует отметить белковые продукты и боннскую кровь. На их основе получают соответственно галалит и альбумин. Первый служит поделочным материалом, второй — для получения клея при производстве фанеры. Кроме того, исходное вещество применяют при производстве пенообразователя ГК, используемого в ячеистых бетонах. К природным полимерам относятся также хлопок, шерсть, кожа, каучук и др. Наиболее значимыми в строительстве являются природные каучуки, но дешевле их заменить синтетическими каучуками или каучукообразными полимерами.

Подавляющее большинство полимеров — искусственные. Их получают с помощью синтеза простых низкомолекулярных веществ, называемых мономерами. По составу основной цепи макромолекул органические полимеры разделяются на карбоцепные, гетероцепные и элементоорганические.

390